(3) dise%f1o de sistemas de puesta a tierra - 90

90
 Diseño de sistemas de puesta a tierra por un método aproximado Dr. Angel Valcárcel Rojas Universidad Central de Las Villas

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Disentildeo de sistemas de puesta atierra por un meacutetodo aproximado

Dr Angel Valcaacutercel Rojas

Universidad Central de Las Villas

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Introduccioacuten

Inicialmente los sistemas de transmisioacuten de alta tensioacutenfueron proyectados para operar aislados de tierra al

considerar como relevante la ventaja de no interrumpirse suoperacioacuten ante un eventual contacto de una fase a tierra Laexperiencia y anaacutelisis que explicaron las dificultades ydesventajas de los sistemas aislados condujeron a modificarese criterio inicial Asiacute hoy en diacutea praacutecticamente todos los

sistemas se proyectan para operar solidamente conectados atierra Desde los primeros inicios se fueron desarrollandomeacutetodos de proyecto y anaacutelisis de sistemas de puesta atierra que por la complejidad del asunto implicabanprocedimientos matemaacuteticos muy laboriosos para la eacutepoca loque obligoacute a recurrir a meacutetodos que aunque aproximadoscumpliacutean con la exigencias de la practica laboral tal es asiacuteque hoy independientemente de los niveles alcanzados en lossistemas de computo prestigiosas instituciones como la IEEElos continuacutean proponiendo como meacutetodos validos

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA NATURALES

Como se sabe el objetivo de cualquier puesta a tierra es el de

dispersar la corriente en el volumen total de la tierra a traveacutes de

la menor resistencia posible Existe una gran diversidad de

sistemas de puesta a tierra mediante el empleo de diferentes

tipos de electrodos Los electrodos usados en los sistemas de

puesta a tierra se dividen en naturales y artificiales

Los sistemas de puesta a tierra naturales estaacuten

constituidos por las masas metaacutelicas que pueden existir

enterradas para otros fines los cimientos de hormigoacuten armado

situados en el periacutemetro de un edificio de caraacutecter permanentelas redes extensas de conducciones metaacutelicas soterrada

(siempre que la continuidad eleacutectrica quede perfectamente

asegurada) en especial las tuberiacuteas metaacutelicas soterradas de

usos hidraacuteulicos las cubiertas de plomo de conductores etc

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ARTIFICIALES

Sistemas de puesta a tierra artificiales son aquellos

sistemas empleados exclusivamente con este fin y pueden serelectrodos simples formados por barras tubos placas cables

cintas etc directamente enterrados Ademaacutes forman parte

de ellos los anillos o mallas metaacutelicas formadas por algunosde los elementos anteriores o por la combinacioacuten de ellos

Estos electrodos normalmente estaacuten hechos de cobre hierro

galvanizado o hierro sin galvanizar con proteccioacuten catoacutedicapara hacerlos maacutes resistentes a la humedad y a la accioacuten

quiacutemica del suelo Los electrodos artificiales pueden ser

verticales u horizontales

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ECUACION GENERAL DE LA RESISTENCIA DE PUESTA ATIERRA DE UN ELECTRODO

C4R

La expresioacuten general del valor de la resistencia de puesta a tierra para un instantede tiempo cualquiera en funcioacuten de paraacutemetros que no cambian con el tiempo

soacutelo depende de la resistividad del terreno y de la capacidad electrostaacutetica que sonindependientes del tiempo y estaacute dada por

Asiacute se tiene que para una esfera donde la capacidad electrostaacutetica es proporcionala su radio

r4R

y para un electrodo semiesfeacuterico se tiene que

r2R

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ELECTRODOS VERTICALES

De los electrodos verticales el maacutes comuacuten es el electrodo de varilla cuya capacidadelectrostaacutetica es

DondeL - Longitud del electrodo bajo tierra

d - Diaacutemetro del electrodoLuego

Empleando otros modelos matemaacuteticos para el caacutelculo de la capacidadelectrostaacutetica

d

L4ln

LC

d

L4ln

L2R

1d

L8ln

L2R

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Fig991- Electrodo vertical de varilla en forma de pica

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Introduccioacuten

Inicialmente los sistemas de transmisioacuten de alta tensioacutenfueron proyectados para operar aislados de tierra al

considerar como relevante la ventaja de no interrumpirse suoperacioacuten ante un eventual contacto de una fase a tierra Laexperiencia y anaacutelisis que explicaron las dificultades ydesventajas de los sistemas aislados condujeron a modificarese criterio inicial Asiacute hoy en diacutea praacutecticamente todos los

sistemas se proyectan para operar solidamente conectados atierra Desde los primeros inicios se fueron desarrollandomeacutetodos de proyecto y anaacutelisis de sistemas de puesta atierra que por la complejidad del asunto implicabanprocedimientos matemaacuteticos muy laboriosos para la eacutepoca loque obligoacute a recurrir a meacutetodos que aunque aproximadoscumpliacutean con la exigencias de la practica laboral tal es asiacuteque hoy independientemente de los niveles alcanzados en lossistemas de computo prestigiosas instituciones como la IEEElos continuacutean proponiendo como meacutetodos validos

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA NATURALES

Como se sabe el objetivo de cualquier puesta a tierra es el de

dispersar la corriente en el volumen total de la tierra a traveacutes de

la menor resistencia posible Existe una gran diversidad de

sistemas de puesta a tierra mediante el empleo de diferentes

tipos de electrodos Los electrodos usados en los sistemas de

puesta a tierra se dividen en naturales y artificiales

Los sistemas de puesta a tierra naturales estaacuten

constituidos por las masas metaacutelicas que pueden existir

enterradas para otros fines los cimientos de hormigoacuten armado

situados en el periacutemetro de un edificio de caraacutecter permanentelas redes extensas de conducciones metaacutelicas soterrada

(siempre que la continuidad eleacutectrica quede perfectamente

asegurada) en especial las tuberiacuteas metaacutelicas soterradas de

usos hidraacuteulicos las cubiertas de plomo de conductores etc

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ARTIFICIALES

Sistemas de puesta a tierra artificiales son aquellos

sistemas empleados exclusivamente con este fin y pueden serelectrodos simples formados por barras tubos placas cables

cintas etc directamente enterrados Ademaacutes forman parte

de ellos los anillos o mallas metaacutelicas formadas por algunosde los elementos anteriores o por la combinacioacuten de ellos

Estos electrodos normalmente estaacuten hechos de cobre hierro

galvanizado o hierro sin galvanizar con proteccioacuten catoacutedicapara hacerlos maacutes resistentes a la humedad y a la accioacuten

quiacutemica del suelo Los electrodos artificiales pueden ser

verticales u horizontales

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ECUACION GENERAL DE LA RESISTENCIA DE PUESTA ATIERRA DE UN ELECTRODO

C4R

La expresioacuten general del valor de la resistencia de puesta a tierra para un instantede tiempo cualquiera en funcioacuten de paraacutemetros que no cambian con el tiempo

soacutelo depende de la resistividad del terreno y de la capacidad electrostaacutetica que sonindependientes del tiempo y estaacute dada por

Asiacute se tiene que para una esfera donde la capacidad electrostaacutetica es proporcionala su radio

r4R

y para un electrodo semiesfeacuterico se tiene que

r2R

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ELECTRODOS VERTICALES

De los electrodos verticales el maacutes comuacuten es el electrodo de varilla cuya capacidadelectrostaacutetica es

DondeL - Longitud del electrodo bajo tierra

d - Diaacutemetro del electrodoLuego

Empleando otros modelos matemaacuteticos para el caacutelculo de la capacidadelectrostaacutetica

d

L4ln

LC

d

L4ln

L2R

1d

L8ln

L2R

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Fig991- Electrodo vertical de varilla en forma de pica

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 3: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA NATURALES

Como se sabe el objetivo de cualquier puesta a tierra es el de

dispersar la corriente en el volumen total de la tierra a traveacutes de

la menor resistencia posible Existe una gran diversidad de

sistemas de puesta a tierra mediante el empleo de diferentes

tipos de electrodos Los electrodos usados en los sistemas de

puesta a tierra se dividen en naturales y artificiales

Los sistemas de puesta a tierra naturales estaacuten

constituidos por las masas metaacutelicas que pueden existir

enterradas para otros fines los cimientos de hormigoacuten armado

situados en el periacutemetro de un edificio de caraacutecter permanentelas redes extensas de conducciones metaacutelicas soterrada

(siempre que la continuidad eleacutectrica quede perfectamente

asegurada) en especial las tuberiacuteas metaacutelicas soterradas de

usos hidraacuteulicos las cubiertas de plomo de conductores etc

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ARTIFICIALES

Sistemas de puesta a tierra artificiales son aquellos

sistemas empleados exclusivamente con este fin y pueden serelectrodos simples formados por barras tubos placas cables

cintas etc directamente enterrados Ademaacutes forman parte

de ellos los anillos o mallas metaacutelicas formadas por algunosde los elementos anteriores o por la combinacioacuten de ellos

Estos electrodos normalmente estaacuten hechos de cobre hierro

galvanizado o hierro sin galvanizar con proteccioacuten catoacutedicapara hacerlos maacutes resistentes a la humedad y a la accioacuten

quiacutemica del suelo Los electrodos artificiales pueden ser

verticales u horizontales

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ECUACION GENERAL DE LA RESISTENCIA DE PUESTA ATIERRA DE UN ELECTRODO

C4R

La expresioacuten general del valor de la resistencia de puesta a tierra para un instantede tiempo cualquiera en funcioacuten de paraacutemetros que no cambian con el tiempo

soacutelo depende de la resistividad del terreno y de la capacidad electrostaacutetica que sonindependientes del tiempo y estaacute dada por

Asiacute se tiene que para una esfera donde la capacidad electrostaacutetica es proporcionala su radio

r4R

y para un electrodo semiesfeacuterico se tiene que

r2R

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ELECTRODOS VERTICALES

De los electrodos verticales el maacutes comuacuten es el electrodo de varilla cuya capacidadelectrostaacutetica es

DondeL - Longitud del electrodo bajo tierra

d - Diaacutemetro del electrodoLuego

Empleando otros modelos matemaacuteticos para el caacutelculo de la capacidadelectrostaacutetica

d

L4ln

LC

d

L4ln

L2R

1d

L8ln

L2R

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Fig991- Electrodo vertical de varilla en forma de pica

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ARTIFICIALES

Sistemas de puesta a tierra artificiales son aquellos

sistemas empleados exclusivamente con este fin y pueden serelectrodos simples formados por barras tubos placas cables

cintas etc directamente enterrados Ademaacutes forman parte

de ellos los anillos o mallas metaacutelicas formadas por algunosde los elementos anteriores o por la combinacioacuten de ellos

Estos electrodos normalmente estaacuten hechos de cobre hierro

galvanizado o hierro sin galvanizar con proteccioacuten catoacutedicapara hacerlos maacutes resistentes a la humedad y a la accioacuten

quiacutemica del suelo Los electrodos artificiales pueden ser

verticales u horizontales

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ECUACION GENERAL DE LA RESISTENCIA DE PUESTA ATIERRA DE UN ELECTRODO

C4R

La expresioacuten general del valor de la resistencia de puesta a tierra para un instantede tiempo cualquiera en funcioacuten de paraacutemetros que no cambian con el tiempo

soacutelo depende de la resistividad del terreno y de la capacidad electrostaacutetica que sonindependientes del tiempo y estaacute dada por

Asiacute se tiene que para una esfera donde la capacidad electrostaacutetica es proporcionala su radio

r4R

y para un electrodo semiesfeacuterico se tiene que

r2R

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ELECTRODOS VERTICALES

De los electrodos verticales el maacutes comuacuten es el electrodo de varilla cuya capacidadelectrostaacutetica es

DondeL - Longitud del electrodo bajo tierra

d - Diaacutemetro del electrodoLuego

Empleando otros modelos matemaacuteticos para el caacutelculo de la capacidadelectrostaacutetica

d

L4ln

LC

d

L4ln

L2R

1d

L8ln

L2R

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Fig991- Electrodo vertical de varilla en forma de pica

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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ECUACION GENERAL DE LA RESISTENCIA DE PUESTA ATIERRA DE UN ELECTRODO

C4R

La expresioacuten general del valor de la resistencia de puesta a tierra para un instantede tiempo cualquiera en funcioacuten de paraacutemetros que no cambian con el tiempo

soacutelo depende de la resistividad del terreno y de la capacidad electrostaacutetica que sonindependientes del tiempo y estaacute dada por

Asiacute se tiene que para una esfera donde la capacidad electrostaacutetica es proporcionala su radio

r4R

y para un electrodo semiesfeacuterico se tiene que

r2R

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ELECTRODOS VERTICALES

De los electrodos verticales el maacutes comuacuten es el electrodo de varilla cuya capacidadelectrostaacutetica es

DondeL - Longitud del electrodo bajo tierra

d - Diaacutemetro del electrodoLuego

Empleando otros modelos matemaacuteticos para el caacutelculo de la capacidadelectrostaacutetica

d

L4ln

LC

d

L4ln

L2R

1d

L8ln

L2R

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Fig991- Electrodo vertical de varilla en forma de pica

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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ELECTRODOS VERTICALES

De los electrodos verticales el maacutes comuacuten es el electrodo de varilla cuya capacidadelectrostaacutetica es

DondeL - Longitud del electrodo bajo tierra

d - Diaacutemetro del electrodoLuego

Empleando otros modelos matemaacuteticos para el caacutelculo de la capacidadelectrostaacutetica

d

L4ln

LC

d

L4ln

L2R

1d

L8ln

L2R

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Fig991- Electrodo vertical de varilla en forma de pica

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 7: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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Fig991- Electrodo vertical de varilla en forma de pica

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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0 25 50 75 100 125 1500

100

200

300

400

500

600

700

800

Fig692- Dependencia de la resistencia de puesta a tierra de un

electrodo vertical de varilla de su diaacutemetro y de su longitud

R ( )

L (cm)

d = 4 cm

d = 2 cm

d = 1 cm

d

L

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de unelectrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial para

lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el restose rellena de un material de maacutes baja resistividad que la tierracircundante En este caso la resistencia de puesta a tierra esta dadapor

1

dL8ln1

DL8ln

L21R CC

Donde

- Resistividad del suelo ( -m)c - Resistividad del material del relleno (-m)

d - Diaacutemetro del electrodo (m)

D - Diaacutemetro del relleno (m)

L - Profundidad del electrodo (m)

ELECTRODOS VERTICALES EN MEDIO ARTIFICIAL

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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d

D

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Para un Electrodo de 25 m (L) normalmente se preveacute un

pozo de hasta 28 m de profundidad 10 m de diaacutemetro en

la boca y 08 m en la base dimensiones que permiten el

trabajo normal de dos peones en algo maacutes de media

jornada en suelos deleznables se ampliacutea la boca del pozo

con una o dos gradas laterales de 08 m de alto para la

extraccioacuten del material

La preparacioacuten del lecho profundo consiste en verter en elpozo una solucioacuten Salina de 25 Kg de NaCl en 150 litros de

agua y esperar a que sea absorbido para luego esparcir la

reserva de 15 Kg de Sal en grano en el fondo

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 14: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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El relleno se prepara mezclando en seco la tierra fina del sitiocon Bentonita ( arcilla natural) y si es el caso con la tierrafina de procedencia externa

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Electrodo activoConsiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustanciasconductivas con perforaciones en los extremos superior (paraventilacioacuten) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos contapas

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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ELECTRODOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 27: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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Compuestode salino

Compuesto arcilla y carboacuten

ELECTRODOS CHEM ROD

Oacute

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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HORMIGOacuteN REFORZADO CON ACERO COMOELECTRODOS DE TIERRAEn muchas ocasiones se emplean las bases de hormigoacuten reforzado con acero

como electrodos de tierra pues pueden llegar a proporcionar bajos valores deresistencia de puesta a tierra Si el acero del refuerzo estaacute distribuido

simeacutetricamente la resistencia de una base de hormigoacuten estaacute dada por

ZL2ln

Z1ln

L21R C

Donde

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormigoacuten (-m)L - Longitud del acero de refuerzo (m)

δ - Espesor del hormigoacuten entre el refuerzo de acero y el suelo (m)

Z - Factor geomeacutetrico que depende de la distribucioacuten del refuerzo de acero

dentro del hormigoacuten (Tabla)

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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2

sa2 o o

8 7sa52

8

o

o o

o o

o o

o

8 7sa238

o o o

o o

o o o

6 5sa6

6

o o

o o

o o

de cabillas Disposicioacuten Z

Nota

a - radio del electrodo (m)s - distancia entre cabillas adyacentes (m)

Tabla 691- Factor geomeacutetrico Z que depende de la distribucioacuten

del refuerzo de acero dentro de la estructura del

hormigoacuten

4 212sa24

o o

o o

3 2sa3o

o o

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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USO DE MAS DE UN ELECTRODO VERTICALCuando con un soacutelo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada es necesario hincar

en el terreno maacutes de un electrodo La disminucioacuten de laresistencia dependeraacute de la profundidad de los electrodos de

su separacioacuten y de su disposicioacuten tal como se muestra en la

Fig 693

En la praacutectica se ha comprobado que con dos electrodosseparados una distancia igual o ligeramente superior a su

longitud se obtiene una reduccioacuten en la resistencia de puesta

a tierra de aproximadamente un 40 del valor obtenido con

una sola tendiendo este valor al 50 para distancias muygrandes comparadas con la longitud del electrodo tal como

se muestra en la Fig 694 Para tres electrodos la

disminucioacuten en la resistencia llega hasta alrededor de un

60

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

Fig 693- Variacioacuten de la resistencia de puesta a tierra con el nuacutemero

de electrodos y con la profundidad en un medio

homogeacuteneoSeparacioacuten entre los electrodos 10 cm

R ()

cm

Disposicioacuten de los electrodos

1

2

3

5

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0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 3290

0 5 10 15 20 25 3040

45

50

55

60

65

70

75

Espaciamiento en metros

d e l a r e s i s t e n

c i a d e u n e l e c t r o d o

Fig694- Efecto del espaciamiento entre electrodos sobre la

resistencia

Dos electrodos deL = 3 m

d = 159 mm

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales

es necesario tener en cuenta la separacioacuten entre ellos y ademaacutes la

disposicioacuten geomeacutetrica de los mismos Asiacute se tiene que para dos electrodos

la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones

Si S gt L

Si S lt L

Donde

S - Separacioacuten entre los electrodos (m)

2S31S41d

L8

lnL4 R

2

22

162232ln

4 LS

LS

Sd L

L R

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un nuacutemero

determinado de electrodos verticales el modelo matemaacutetico necesario

para determinar la capacidad electrostaacutetica y asiacute poder resolver la

ecuacioacuten general es demasiado complejo por lo que en la praacutectica la

resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales estaacute dada por

Donde

R P - Resistencia del grupo de electrodos ()

R - Resistencia de un electrodo ()N V - Coeficiente de apantallamiento Tablas 692

n - Nuacutemero de electrodos

V

PNnRR

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 35: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 36: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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Otro meacutetodo con el que se obtienen resultados similares es el planteado

por la British Standard para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra

formada por varios electrodos en paralelo (este meacutetodo tambieacuten es vaacutelido

para el caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las

bases de hormigoacuten armado de un edificacioacuten como electrodo siempre

que su disposicioacuten sea rectangular)

Donde

- Factor dado en la Tabla 693

n

a1RR P

SR2a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

Donde R P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO Los sistemas de puesta a tierra ademaacutes de conducir a tierra la corrientede falla tambieacuten deben conducir a tierra la corriente provocada por lasdescargas atmosfeacutericas la cual se comporta como una onda de choque ypor lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedanciacaracteriacutestica del sistema de puesta a tierra y es dinaacutemica

La resistencia dinaacutemica tiene un comportamiento que depende de la

corriente que penetra en el terreno la resistencia de estado estable y laresistividad del terreno

Donde

g I

I

R

11

Aenterrenoelen penetraquecorriente I

cmterrenoendelad resistivid

cmkV ensuelodelionizacioacutendeeleacutectricoCampo E

enestableestadodearesistenci Rst

E Rst I g

1

0

0

22

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variacioacuten en el tiempo de la corriente inyectada al terreno

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variacioacuten en el tiempo de la resistencia de conexioacuten a tierra en

funcioacuten de la corriente de la figura anterior

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 42: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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ELECTRODOS HORIZONTALES

Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y

se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar laresistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los

electrodos horizontales comuacutenmente cables o cintas

metaacutelicas En el caso de las cintas metaacutelicas su espesor

usualmente no es mayor de 18 de su ancho El principalfactor que determina la resistencia de puesta a tierra de los

electrodos horizontales es su longitud tal como se muestra en

la Fig 6111 para electrodos de cinta

El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es

maacutes difiacutecil auacuten maacutes cuando en la praacutectica se emplean

diferentes configuraciones de electrodos horizontales

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

8

10

12

14

R e s i s t e n c i a e n

Longitud en metros

Ancho (mm) Profund (m)

Fig 6111- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta

horizontales

25

100

100

05

05

20

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 44: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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L i t aacuteti aacute uacute t d l

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Las expresiones matemaacuteticas maacutes comuacutenmente usadas para lasconfiguraciones tiacutepicas son1 Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diaacutemetro d ylongitud 2L enterrado a una profundidad h

o bien

2 Resistencia de puesta a tierra de una cinta metaacutelica horizontal de seccioacuten

a x b de longitud 2L enterrada a una profundidad h

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

2

2

2

22

L4

h

L

h1

ba2

baa

ha

L8ln

L4R

h

L

hd

L

L R

2ln

16ln

4

2

3 R i t i d t ti d d bl d 90ordm ( t ll d

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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3 Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90ordm ( estrella decuatro puntas ) de longitud 2L cada uno de diaacutemetro d enterradohorizontalmente a una profundidad h

4 Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60ordm ( estrella deseis puntos ) de diaacutemetro d longitud 2L cada uno enterradoshorizontalmente a una profundidad h

2

22

L

h62

L

h14292

hd

L4ln

L8R

2

22

L

h7

L

h266856

hd

L4ln

L12R

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Estrella de cuatro puntas

L

Estrella de seis puntas

5 Resistencia de p esta a tie a de n anillo de diaacutemet o D constit ido po

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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5 Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diaacutemetro D constituido porun alambre de diaacutemetro d enterrado horizontalmente a unaprofundidad h

6 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetro

D enterrado a una profundidad h

7 Resistencia de puesta a tierra de un plato metaacutelico redondo de diaacutemetroD enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h

hdD16ln

D28R

2

2

2

2

h

D03601

h8D4R

2

2

h

D01801

h8D4

R

Figura

Figura

Figura

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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D

d

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

Page 51: (3) Dise%F1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema detierra a base de electrodos horizontales se pasa de una configuracioacuten aotra maacutes compleja o se situacutean electrodos en paralelo Cuando se ponen doselectrodos en paralelo la disminucioacuten de la resistencia es importante para

separaciones de hasta un 15 de su longitud pues para separacionessuperiores el efecto es poco importante tal como se muestra en laFig 6112 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paraleloUn meacutetodo praacutectico para determinar la resistencia de puesta a tierra devarios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente se determina laresistencia de un solo electrodo y despueacutes se divide por el coeficiente deapantallamiento dado en la Tabla 6111 para las configuraciones que sesentildealan

Donden - Nuacutemero de electrodos en paraleloR - Resistencia de un electrodoNeh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz

R cof - Resistencia de la configuracioacuten de electrodos

eh

conf N

1

n

RR

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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0 1 2 3 4 5 604

05

06

07

08

09

10

Fig 6112- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos

electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo

Distancia entre electrodos

F r a c c i oacute n d e l

a r e s i s t e n c i a d e

u n e l e c t r o d o

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Brazos Longitud

2 -

510

15203

2530

510

15204

2530

Esquema Neh a 60 Hz N

eh a impulso

1 1

090 080

093 083

093 083

075 065

080 070

080 070

Tabla 6111- Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz y a impulso

para electrodos horizontales

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Figura para un Ejemplo

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Figura para un Ejemplo

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8490

Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a

tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor

(cable o planchuela) Al quedar todos los electrodos unidos al cable de

enlace por un extremo todos estaraacuten al mismo potencial y como la

corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluyehacia la tierra (potencial cero ) podemos concluir que la resistencia a tierra

del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial o sea

estaacuten en paralelo

Por lo antes expuesto se tiene que

DondeR P - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodosR C - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexioacuten enterrado

R T - Resistencia total del sistema de puesta a tierra

CP

CPT

RR

RRR

Ejemplo 1

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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j p

Determinar la resistencia de puesta a tierra del sistema de la figura vistaanteriormente si se conocen los siguientes datos

DatosLongitud de los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro de los electrodos verticales 002 m

Separacioacuten entre los electrodos verticales 3 m

Diaacutemetro del cable de unioacuten 001 m

Profundidad de enterramiento 05 m

Resistividad equivalente del terreno 100 Ω-m

1ro Determinar la resistencia de un electrodo vertical

= 339367 Ω d

L4ln

L2R

2do Determinar la resistencia del conjunto electrodos verticales con

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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j

R= 339367 Ω n= 9 Nv= 055

= 68559 Ω

3ro Determinar la resistencia de un conductor horizontal de L = 3 menterrado a 05 m y de diaacutemetro 001 m

= 223721 Ω

4to Determinar la resistencia del conjunto de electrodos horizontalescon R= 223721 Ω n= 12 Nh= 027

= 69049 Ω

V

PNn

RR

2

22

L4

h

L

h2

hd

L16ln

L4R

eh

conf N

1

n

RR

5to Determinar la resistencia del conjunto con R = 6 8559 Ω y

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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5to Determinar la resistencia del conjunto con R p= 68559 Ω y

R h= 69049 Ω

= 34401 Ω

CP

CPT

RRRRR

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variando L de 1 hasta 20 m

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variando d de 001 hasta 1 m

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variando h de 0 1 hasta 2 m

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variando Lv de 1 hasta 20 m

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Variando ρ de 1 hasta 100 Ωm

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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CALCULO DE LA MALLA DE

PUESTA A TIERRA DE UNASUBESTACIOacuteN NORMA ANSIIEEE Std 80 _1986

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son lossiguientes

a Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere soacutelidamentepuesto a tierra

b La variacioacuten de la resistencia debido a cambios ambientales debe serdespreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquiermomento sea capaz de producir el disparo de las protecciones

c Impedancia de onda de valor bajo para faacutecil paso de las descargasatmosfeacutericas

d Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencialpeligrosos entre sus puntos vecinos

e Al pasar la corriente de falla durante el tiempo maacuteximo establecido defalla (es decir disparo de respaldo) no debe haber calentamientosexcesivos

f Debe ser resistente a la corrosioacuten

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 7390

Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8190

Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8390

Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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TENSION DE PASO

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden

ser tocados simultaacuteneamente por una persona su valor permisible estadado por

Donde

Ep = Tensioacuten de Paso Permisible en voltiosρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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TENSION DE CONTACTO

Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y

cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultaacuteneamente por una

persona su valor permisible estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto permisible en voltios

ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)

t = Duracioacuten maacutexima de falla en segundos

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8390

Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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DISENtildeO DE UNA MALLA A TIERRA

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8390

Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8690

Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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El disentildeo de una malla a tierra estaacute afectado por las siguientes

variables

bull Tensioacuten Permisible de Paso

bull Tensioacuten Permisible de contacto

bull Configuracioacuten de la malla

bull Resistividad del terreno

bull Tiempo maacuteximo de despeje de la falla bull Conductor de la malla

bull Profundidad de instalacioacuten de la malla

Seleccioacuten del conductor de la Malla

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8490

Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Para calcular la seccioacuten del conductor se aplica la siguiente ecuacioacuten

Donde Ac = Seccioacuten del conductor (CM)I = Corriente maacutexima de falla (Amp)Tm = Temperatura maacutexima en los nodos de la malla(450degC con soldadura y 250degC con amarre pernado)

Ta = Temperatura ambiente (degC)t = Tiempo maacuteximo de despeje de la falla (seg)

Sin embargo la seccioacuten miacutenima recomendable es 20 AWG para la malla y58rdquo para las varillas estos valores miacutenimos estaacuten de acuerdo conpraacutecticas internacionales

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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La tensioacuten de paso real en una subestacioacuten estaacute dada por

Donde

Ep = Tensioacuten de paso real en voltios

k s = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la

profundidad y del espaciamiento de la malla

k i = Coeficiente de irregularidad del terrenoρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

I = Corriente maacutexima de falla (Amp)

L = Longitud total del conductor (m)

Tensiones Reales de Paso y de contacto

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8490

Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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La tensioacuten de contacto real estaacute dado por

Donde

Et = Tensioacuten de contacto en voltios

k m = Coeficiente que tiene en cuenta las caracteriacutesticas geomeacutetricas de la

malla

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8290

Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8390

Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8490

Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8690

Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8790

Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8890

Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Para la determinacioacuten de los coeficientes es necesario tener en cuenta lassiguientes definiciones

A= Longitud de la malla (m)B= Ancho de la malla (m)L= Longitud total del conductor (m)n= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud Am= Nuacutemero de conductores en paralelo de longitud B

D= Espaciamiento entre conductores (m)h= Profundidad de enterramiento (m)d= Diaacutemetro del conductor (m)

La longitud total del conductor estaacute dada por

L= nA +mB

k m es

Determinacioacuten de los coeficientes k m k i k s

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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k i es

k i = 065+0172n nle7 k i =20 ngt7

k s

es

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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El caacutelculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el meacutetodo

de Laurent y Niemann o por meacutetodo de Dwinght

Meacutetodo de Laurent y NiemannEste meacutetodo es bastante aproximado y la expresioacuten para el caacutelculo es

Donde

R = Resistencia en ohmios

Aγ = Aacuterea de la malla de puesta a tierra en msup2 ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)

L = Longitud total del conductor (m)

La ecuacioacuten anterior es una aproximacioacuten y su resultado siempre es mayor

que el valor real

EJEMPLO

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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Caacutelculo de la malla de tierra de una subestacioacuten con los siguientes datos

Dimensiones del patio 40 x 50 msup2Corriente maacutexima de falla 1000 ANivel de Tensioacuten (primario) 345 kVResistividad del suelo 300 (Ω-m)Resistividad de la superficie 2000 (Ω-m)Tiempo maacuteximo de falla 1 segTemperatura ambiente 30ordmCEl conductor se enterraraacute a 70 cm

EJEMPLO

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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Seleccioacuten del conductorTa =30ordmC

Tm =250ordmc (uniones pernadas) Aplicando la ecuacioacuten de Seccioacuten del conductor

1 CM= 5 x 10-4 mmsup2 11213 CM=5606mmsup2El diaacutemetro del conductor es= 26716 mm Aproximando al calibre miacutenimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 20 que tiene un diaacutemetro igual a 1052 mm

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8490

Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

5152018 (3) DiseF1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90 - slidepdfcom

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Eleccioacuten de la mallaSupoacutengase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor

cualquiera razonable)Por lo tanto A = 50 mB = 40 mLuego

n= 5m=6D=10 m

El conductor se enterraraacute a 70 cmh=07 md= 001052 m

L = (5x50)+(6x40) = 490 m

=0881

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8490

Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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httpslidepdfcomreaderfull3-disef1o-de-sistemas-de-puesta-a-tierra-90 8690

Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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Eleccioacuten de la malla

ki = 065+(01725)ki =15

=0291

Caacutelculo de las tensiones permisibles de paso y contacto

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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Eleccioacuten de la malla

Los valores reales son

= 268 lt 2165 voltios

= 814 gt 665 voltios

La disposicioacuten escogida no cumple con el valor permisible de Et

iquestQueacute se hace entonces

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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Eleccioacuten de la malla

Se ensaya una nueva disposicioacuten con cuadricula de 7 m (con 9 m oacute 8 m nocumple)Los nuevos valores son

A=49 mB=42 mn=7m=8D=7 mL=749+842 = 679 m

= 0734

Ki = 065 + 01727=1854

= 0327

EJEMPLO

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

5152018 (3) DiseF1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90 - slidepdfcom

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Eleccioacuten de la malla

Entonces

= 26786 lt 2165 voltios

= 60125 lt 665 voltios

Debido a que estos valores si cumplen se continuacutea el caacutelculo

EJEMPLO

5152018 (3) DiseF1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90 - slidepdfcom

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

5152018 (3) DiseF1o de Sistemas de Puesta a Tierra - 90 - slidepdfcom

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Laurent y Niemann

= 3126 Ω

Este valor de resistencia es mayor que el miacutenimo permisible de 3 Ω Comoeste meacutetodo de caacutelculo de la resistencia es muy aproximado y el valor estaacutecercano al limite se pueden tomar dos decisiones

1 Determinar la resistencia por un meacutetodo mas exacto como el deDwight

o

2 Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilizacioacuten deelectrodos verticales

EJEMPLO

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de Dwight

= 11800 Ω

E= 2191 D = 21917 = 15337 m

= 1654 Ω

Rc = 11800+(7-1)(1654) = 21724 Ω

Rcn = 217247 = 3103 Ω

= 13421 Ω

EJEMPLOC l l d l i t i l Meacutet d d D i ht

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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Calculo de la resistencia por el Meacutetodo de DwightE = 2430DE = 2430 7 =17010m

= 1685 Ω

Ram= (8-1)(1685) + (7-1)(1654) = 21719 Ω Rcu = 13421 +21719 = 35140 Ω Rcm= 351408 = 4392 Ω

= 1818 3 Ω 1818 Ω lt3 Ω

Por lo tanto la disposicioacuten asumida da garantiacutea tanto de tener los voltajesde paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es

menor que el maacuteximo aceptado

EJEMPLOAacute Uacute

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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NORMA ANSIIEEE Std 80 _2000

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CAacuteLCULO DEL NUacuteMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES

El uso de varillas de tierra como uacutenico medio de puesta a tierra en una

subestacioacuten no es recomendable ya que con estas no se logra una

superficie equipotencial y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto

toman valores peligrosos

Datos de laboratorio muestran que existe un liacutemite en el nuacutemero de varillas

en paralelo pues su efectividad decrece cuando su nuacutemero aumenta Estos

resultados se deben al siguiente fenoacutemeno cuando el nuacutemero de varillas

aumenta en determinada aacuterea el espacio entre eleacutectrodos decrece Los

cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de

tierra tienden a entrecruzarse reduciendo asiacute la efectividad individual decada varilla Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho

resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia

iquestCoacutemo se determinariacutea el numero de varillas y la

resistencia resultante

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